无线传感器网络无需测距技术节点定位算法研究与实现

无线传感器网络无需测距技术节点定位算法研究与实现内容摘要：

无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数 据采集和融合、任务的协同控制等。 如何保证任务执行的机密性、数据产生的可 靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网 络安全问 题需要全面考虑的内容。 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和 融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息 认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。 除此之外，为了确保数据融 合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。 （５）无线通信技术 ＷＳＮ需要低功耗短距离的无线通信技术。 ＩＥＥＥ８０２．１５４标准是针对低速无 线网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或 者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。 由 于ＩＥＥＥＳ０２．１５４标准的网 络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感 器网络的无线通信平台。 超宽带技术（Ｕ、 Ⅳ Ｂ）是一种极具潜力的无线通信技术。 超 宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复 杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无线传感器网络中。 （６）嵌入式操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作 系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定 应用提供最大的支持。 在 面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可 以并发地使用系统的有限资源。 无线传感器网络节点的模块性高，要求操作系统 能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且在保证不影响整体开销的情况下，应 用程序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。 因此，ＷＳＮ节点的操作系 统应满足要求小代码量、模块化、低功耗、并发操作等要求。 （７）路由协议 节点在数据传输上所消耗的能量是最大的。 数据传输涉及网络路由协议。 传 统的Ａｄｈｏｃ网络路由协议设计时一般将服务质量（Ｑｏｓ）放在第一位，能量效率放 在第二位考虑，所以，无线传 感器网络的特征所决定的讲究高能量效率的路由协 议无法采用传统的路由算法。 因此，目前研究人员致力于开发新的能量效率高的 路由技术。 ７ 浙江工业大学硕士学位论文 １．２．４无线传感器网络的应用领域 ＭＥＭＳ支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为传感器网络赋 予了广阔的应用前景，主要在军事、环境保护、医疗以及商业等领域有着巨大的 优势。 当然，在空间探索和灾难拯救等特殊的领域，无线传感器网络也有其得天 独厚的技术优势。 （１）军事应用 在军事领域，由于无线传感器网 络具有快速布设、自组织和容错等特性，可 用来建立一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战 场指挥系统。 因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自 组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中被损坏而导致整个系统 的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使无线传感 器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监 视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生 物和化学攻击。 （２）环境科学 随着人们对 于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。 通过传 统方式采集原始数据是一件困难的工作。 无线传感器网络为野外随机性的研究数 据获取提供了方便，可以实现诸如野生动植物栖息地生态环境监控，比如，跟踪 候鸟和昆虫的迁移。 ＡＬＥＲＴ系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位监 测瞄Ｊ，并依此预测爆发山洪的可能性。 类似地，无线传感器网络对森林火灾准 确、及时地进行预报也应该是有帮助的。 此外，无线传感器网络也可以应用在精 细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度ｆ２６３、水分含量和施肥状况等。 （３）医疗健康 无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用 无线传感器网络进行远程监控，医生就可以随时了解被监护病人的病情【２他８】，一 旦发生危机情况可第一时间进行救助。 还可以利用无线传感器网络长时间地收集 人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测 对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。 也可实现在人体 内植入人工视网膜（由传感器阵列组成）让盲人重见光明ｔ２９１。 此外，在药物管 理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。 （４）空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助航天器布撤无线传感器节点 来实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。 ＮＡＳＡ的ＪＰＬ（Ｊｅｔ ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）实验室研制的Ｓａ］ＳＯｉ＂Ｗｅｂｓ就是为将来的火星探测进行技 ８ 浙江工业大学硕士学位论文 术准备，己在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 （５）商业应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器 网络的三大特点，这 些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。 无线传感器网络可 实现家居环境、工作环境智能化１３０１，比如，嵌入到家具和家电中的传感器与执 行机构组成的无线网络与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便 和具有人性化的智能家居环境。 此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、 交互式玩具、工厂自动化生产线、车辆防盗系统等众多领域，无线传感器网络都 将会孕育出全新的设计和应用模式。 １．３无线传惑器网络中的定位问题 作为一种全新的技术，无线传感器网络向科技工作者提出了许 多具有挑战性 的研究课题，定位就是其中之一。 定位是大多数应用，特别是军事应用的基础。 无线传感器网络中的定位机制与算法包括两部分：节点自身定位和外部目标定 位，前者是后者的基础。 无线传感器网络中的位置发现是很具挑战性的一个问题。 全球卫星定位系统 （ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）是目前应用最广泛最成熟的定位系统，ＧＰＳ系统 利用精确的同步卫星时钟提供授时和测距以对用户节点进行定位，具有定位精度 高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是ＧＰＳ定位仅适应于无遮挡的室外环 境，其用户设备通 常能耗高体积大，成本也较高。 由于传感器节点在大小、能量 及构造费用上的限制，ＧＰＳ的成本和功耗是传感器节点所无法接受的，用ＧＰＳ 接收器作为节点基本上是不可能的。 而且传感器网络很可能处于卫星信号达不到 的地方。 所以，ＧＰＳ不适用于低成本的无线传感器网络。 在机器人领域中，机器人节点的移动性和自组织性等特性，使其定位技术与 无线传感器网络的定位技术有一定的相似性，但是机器人节点通常携带充足的能 量供应和精确的测距设备，并且系统中机器人节点的数量很少，机器人领域的定 位算法往往没有考虑算法复杂度和能量消耗问题。 所以这些机器人定位算法也不 适用于无线传感器网络。 在无线传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、网络规模大且节点 随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出了很高的要求。 无线传感器网络的定位算法通常需要具备以下特点： （１）自组织性：无线传感器网络的节点随机部署，不依赖于全局基础设施 协助定位； （２）健壮性：传感器节点的硬件配置低，能量有限，可靠性较差，定位算 ９ 浙江工业大学硕士学位论文 法必须能够容忍节点失效和测距误差： （３）节能性： 尽可能地减少算法中计算的复杂度，减少节点问的通讯开销， 以尽量延长网络的生存周期。 无线传感器网络节点定位问题的研究在国内才刚刚起步，国外虽有一定研 究，但偏重于定位算法的理论研究，距离实用化还有一定的差距。 无需测距技术的定位算法中，局部定位技术要求信标节点数量多而且到处分 布能够覆盖整个网络，但在许多无线传感器网络应用中节点的预先布置是不可能 的。 基于跳数的定位技术可以不需要大量的信标节点，但要求传感器节点的高密 度和均匀分布。 针对这些问题目前还没有真正的解决方法。 理想的无线传感器定位算法应该适合更一 般的网络环境，无需特殊的距离测 量硬件设备，节点也无需预先布置，节点密度低，节点分布不规则，并且所有节 点可以不受控制地移动。 当定位算法为了追求更精确的定位时，必将进行循环求精阶段，而这阶段的 计算必将给网络带来大量的通信开销，也将大量消耗传感器节点的能量。 所以， 定位的精度和传感器节点的能量这个矛盾还是目前比较棘手的难点． １．４国内外研究现状 从ＡＴ＆ＴＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓＣａｍｂｒｉｄｇｅ于１９９２年开发出室内定位系统Ａｃｔｉｖｅ Ｂａｄｇｅ［３ｔ－３２］至今，研究者们一直致力于开发能够自定位的 系统和算法。 传感器节 点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到很大限制，低功 耗是其最主要的设计目标。 而人工部署和为所有网络节点安装ＧＰＳ接收器都会 受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，因 此必须针对其密集性且节点的计算、存储和通信等能力都有限的特定条件，设计 有效的低功耗定位算法。 为使无线传感器网络节点的定位不依赖于外部设备，早期曾提出了一些集中 式的定位算法，如ＡｃｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅ［叫，在办公室天花板上有规则地摆放一些接收器 节点，再在每个被测物体上 固定一个无线电发送器，通过控制单元向这些接收器 节点发送轮询信号，从而获知各被测物体与节点间的距离范围信息，再由这些信 息来估算它们的位置。 这里要求节点必须规则地摆放，并且对各收发器的全体轮 询这些条件都很大程度地限制了这种方法的可应用性。 接下来又有人提出了采用参考节点的方法，即在无线传感器网络中布置一定 数量的已知其自身位置的节点，作为其它位置未知节点用来计算自身位置的参 考。 这种方法在较高的信标节点通讯区域重叠率（或者与此等同的，较高的信标 节点密度）的情况下，能够获得较好的位置估算精度。 但这里必须存 在大量信标 １０ 浙江工业大学硕士学位论文 节点的要求又限制了它的应用范围。 研究者们针对不同的环境要求等提出各种各样的解决方案，其中比较有代表 性的现有定位系统有ＲＡＤＡＲ［；４］、Ｃｒｉｃｋｅｔ［３５１、ＡＨＬｏｓ［３６１等。 微软的ＲＡＤＡＲ系统是基于ＩＥＥＥ８０２．１１无线网络技术的一种室内定位系 统。 它提供了场景分析和三边测量两种实现方式。 Ｃｒｉｃｋｅｔ系统是麻省理工学院在2020年开发的最早的信标节点随机撒布在建 筑物内的系统。 它是Ｏｘｙｇｅｎ项目的一 部分，用来确定移动或静止节点在大楼内 的具体房间位置。 该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的 传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。 然后通过比较到各个临 近信标节点的距离，选择出离自己最近的信标节点，从该信标节点广播的信息中 取得自身的位置。 ＡＨＬｏｓ系统是一个迭代的定位算法。 具体定位过程为：未知节点首先利用 Ⅱ ）０Ａ方法测量与其邻居节点的距离；当未知节点的邻居节点中信标节点的数量 大于或等于三个时，就利用极大似然估计方法计算自身位置，随后该节点转变成 新的信标节点，称为转化信 标节点，并将自身的位置广播给邻居节点；随着系统 中转化信标节点数量不断增加，对于原来邻居节点中信标节点数量少于三个的未 知节点，将逐渐拥有足够的邻居信标节点，就能够利用极大似然估计方法计算自 身的位置。 这个过程一直重复到所有节点都计算出自身的位置。 目前国内对基于ＷＳＮ的定位技术研究还不多，史龙１３７】等人在综合分析大量 无线传感器网络定位算法的技术文献和最新研究结果的基础上，从测距技术和算 法两方面阐述了定位机制的局限性，着重论述和比较了现有的六种定位算法，指 出无线传感器网络自身定位问题的研究方向。 孙学 斌唧】等人提出了一种无线传 感器网中的目标定位算法，用以获取在无线传感器网络监视下的地理区域中移动 目标的位置。 该算法首先找到一个曾监测到目标的节点，然后利用相邻节点间的 本地消息跟踪目标的运动轨迹。 王永才［３９１等人介绍了在无线传感器网络系统中， 应用ＴＤＯＡ测距技术和基于几何关系的节点自身定位算法，并在Ｍｉｃａ２系统上 实现了该算法。 刘Ｉ目ｔｊ［４０［等人介绍了利用声波测距的无线传感器网络定位算法的 实现策略，对具体实现机制进行了分析并给出相关结论。 杨强１４ｌｌ等人提出一种 适用于大规模无线传感器网络的 通用三阶段分布式定位结构体系。 目前，研究人员更多的是把研究重点放在Ａｄｈｏｅ式无线传感器网络定位算 法的研究上，提出了大量针对ＷＳＮ的分布式、低功耗定位算法１４２舶】，如质心算 法【４５１、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ算法１４６１、ＳＰＡ相对定位算法【４７１、ＤＶ－Ｈｏｐ算法［４８－４９］、ＤＶ－Ｄｉｓｔａｎｃｅ 算法［４９－４９］、Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ算法［４９－４９１、ＤＶ－Ｂｅａｒｉｎｇ算法【５０】、Ｄｖ．Ｒａｄｉａｌ算法【５０１、凸规 划定位算法阶１１、ＡＰＩＴ算法【５２】、ＭＤＳ．ＭＡＰ算法【５３１等，这些 算法在相对的条件 下很多都能在某些方面（如定位精度、信标节点密度等）达到一定的效果，但真 正的应用还很少，而且一般条件限制都是很严格。